軟體機(jī)器人因其特有的優(yōu)勢，在很多領(lǐng)域受到越來越多的重視。機(jī)器手作為機(jī)器人與外界交互的主要工具，在機(jī)器人設(shè)計開發(fā)中具有十分重要的地位。柔性機(jī)器手具有良好的靈活性和適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變形，使得在人-機(jī)器人以及環(huán)境-機(jī)器人的交互應(yīng)用中，可以有效避免對人和物品等造成可能的傷害和損壞；更重要的是，柔性機(jī)器手能夠在較為簡單的控制策略下，輕松實現(xiàn)與復(fù)雜形狀的物體的貼合（共形）接觸。因此，開發(fā)能夠靈活抓取和操控的柔性機(jī)器手受到科研人員的普遍關(guān)注。
近日，美國密歇根州立大學(xué)曹長勇教授團(tuán)隊與北華大學(xué)耿德旭教授團(tuán)隊合作研發(fā)了一種剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器(FHPA)和柔性仿人機(jī)器手。該柔性復(fù)合機(jī)器手采用人手仿生學(xué)結(jié)構(gòu)，通過新的彎曲型剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器FHPA進(jìn)行驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、輕質(zhì)、靈活、輸出力大和適應(yīng)性強(qiáng)等特點（圖1）。該手指狀柔性執(zhí)行器內(nèi)部布設(shè)硅膠彈性體氣囊，外側(cè)裝有薄片狀束環(huán)，氣囊與束環(huán)在一側(cè)設(shè)有板狀彈性骨架。施加氣壓后，執(zhí)行器內(nèi)氣囊內(nèi)壁受壓發(fā)生膨脹，外壁徑向變形受束環(huán)約束從而以產(chǎn)生軸向力為主，從而產(chǎn)生實現(xiàn)類手指的彎曲運動。該設(shè)計中，柔性執(zhí)行器采用裝配集成方式，可布設(shè)多個氣囊進(jìn)行驅(qū)動以產(chǎn)生更大的抓力。整個執(zhí)行器內(nèi)部軟體氣囊與彈性骨架剛?cè)嵯酀?jì)，彈性骨架起支撐和連接作用，可提高柔性執(zhí)行器剛度和彈性恢復(fù)，保證執(zhí)行器在完成運動功能和柔性的同時，使柔性機(jī)器手在抓持物體時保持一定的剛度。機(jī)器手整體結(jié)構(gòu)采用非對稱式 – 拇指與中指相對。拇指并采用雙驅(qū)動單向彎曲柔性執(zhí)行器來增強(qiáng)機(jī)器手抓持能力，其余四指采用單驅(qū)動單向彎曲執(zhí)行器。此外，在氣壓控制系統(tǒng)內(nèi)裝有氣壓傳感器用于監(jiān)控每根手指執(zhí)行器的內(nèi)部壓力，以便手指變形與物體接觸后，及時進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)壓力以適應(yīng)不同物形和重量目標(biāo)物體。實驗結(jié)果表明，采用該剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器制備的機(jī)器手具有良好的靈活性，能夠精準(zhǔn)完成抓、握和捏等多種動作；同時，通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器內(nèi)部氣壓，既可以控制手指形變和輸出力，又對抓取物的形狀變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。該柔性機(jī)器手夾持力可達(dá)12牛，可抓持重量為1.3千克以上的物體，未來在機(jī)器人-人、機(jī)器人-環(huán)境交互應(yīng)用中將具有巨大的應(yīng)用潛力。
以上相關(guān)成果發(fā)表在國際著名期刊Soft Robotics上。論文第一作者為北華大學(xué)/密歇根州立大學(xué)劉曉敏博士，通訊作者為密歇根州立大學(xué)曹長勇教授和北華大學(xué)趙云偉教授。北華大學(xué)耿德旭教授、密歇根州立大學(xué)包裝學(xué)院博士生陳守鍔和電氣與計算機(jī)工程系譚曉波教授為論文共同作者。
論文鏈接:
